秸秆还田与耕作通过改良土壤条件与细菌群落调控滨海盐碱地土壤氮库

《Microorganisms》：Straw Return and Tillage Regulate Soil N Pool via Modifying Soil Conditions and Bacterial Communities in Coastal Saline–Alkaline Land

　　

秸秆还田与耕作措施可改变土壤性质并调控细菌群落，进而介导氮（N）转化与积累。本研究旨在阐明微生物驱动氮保持的机制，为土壤管理策略提供基础。2019—2022年开展田间试验，设置6个处理，包括旋耕秸秆还田（RTSR）、旋耕无秸秆（RTNS）、深耕秸秆还田（DTSR）、深耕无秸秆（DTNS）、深松秸秆还田（STSR）和深松无秸秆（STNS）。测定了土壤性质、氮库/组分及细菌群落。结果表明，秸秆还田与耕作措施改善了土壤环境（DTSR和STSR使土壤容重降低7%~8%，DTSR和STSR较RTSR分别使土壤盐度增加57%和26%，而旋耕显著降低盐度），提高了土壤有机质（RTSR处理两年内显著增加5%~16%），并有效促进了氮积累。2022年与2021年相比，OTU数量及α多样性显著增加。具体而言，耕作是细菌α多样性的主要驱动因素，但对细菌β多样性无显著影响。Mantel检验结果显示，氮有效性是塑造细菌α和β多样性的关键环境因子。结构方程模型（SEM）揭示，土壤有机氮（SON）积累通过"环境改善—特定微生物群落结构"路径直接驱动氮积累。STSR是促进氮积累的最优处理，其通过维持活性SON水平实现，是黄河三角洲（YRD）可持续氮管理的有效策略。

本研究发表于《Microorganisms》，旨在揭示沿海盐碱地微生物驱动氮保持的关键机制。研究背景方面，盐碱地是全球性农业挑战，全球约20%的农业耕地受到盐渍化影响。中国黄河三角洲（YRD）是典型的滨海盐渍土区域，面临高盐碱度和养分匮乏的双重约束，其中氮（N）是作物生长的首要限制因子。秸秆还田和耕作是改良盐碱地的重要措施：秸秆还田可改善土壤性质并调控氮转化过程；耕作措施则改变土壤性质、通气状况和养分分布。然而，现有研究多关注秸秆还田或耕作在非盐渍土壤中的单独效应，二者在黄河三角洲沿海盐碱地上的交互影响尚不清楚。此外，土壤有机氮（SON）是盐渍土壤中氮积累的主要驱动力，但现有研究多关注全氮（TN）而非SON组分，未能阐明秸秆—耕作交互条件下盐渍土壤氮保持的核心机制。微生物多样性是农业生态系统中氮动态的关键驱动因素，但耕作—秸秆交互作用如何改变微生物群落并进而调控氮积累的机制仍量化不足。

研究人员开展了2019—2022年的田间试验，设置三种耕作方式（旋耕0~15 cm、深耕0~20 cm、深松0~40 cm）与两种秸秆还田处理（有/无秸秆还田）的全因子组合，共6个处理，分析土壤性质、SON组分及细菌16S rRNA基因V4-V5区高通量测序数据，采用多元方差分析、主成分分析（PCA）、Mantel检验和结构方程模型（SEM）等统计方法。

研究结果显示：

**土壤理化性质与氮分布**：2022年与RTSR相比，DTNS和DTSR显著降低土壤pH；旋耕显著降低土壤电导率（EC），而DTSR和STSR较RTSR分别使EC增加57%和26%。RTSR促进了两年的土壤有机质（SOM）积累。2022年，DTSR和STSR较RTSR显著降低土壤容重（BD）8%和7%。DTSR较STSR显著降低土壤TN、无机氮（IN）和SON含量。多因素方差分析表明，EC受耕作、年份及秸秆×耕作、耕作×年份交互作用的显著影响；IN、SON和TN受年份及秸秆×耕作交互作用的显著影响。SON组分方面，2021年DTNS和DTSR增加了氨基酸氮但降低了水解性未知氮；2022年DTSR降低了活性SON组分（水解性NH₄⁺-N、氨基酸氮、氨基糖氮），增加了稳定性SON（水解性未知氮和酸不溶氮）。DTNS、DTSR、STNS和STSR处理较RTNS和RTSR显著降低了稳定性SON。

**细菌群落组成与多样性效应**——**微生物组成分析**：2021年耕作制度是细菌群落分化的主要驱动因素，秸秆还田在同一种耕作方式内影响较小；Pseudomonadota、Actinomycetota、Acidobacteriota和Chloroflexi是优势菌门。2022年秸秆还田处理形成明显聚类，表明秸秆还田效应随试验年限延长而更加显著。旋耕富集了Bacteroidia纲和Bacteroidota门，而STSR/DTSR含有更高丰度的Actinobacteria、Thermoleophilia和Vicinamibacteria。

**样本与物种关系**：Circos图显示，2022年优势门类（Vicinamibacteria、Gammaproteobacteria、Actinobacteria、Thermoleophilia、Bacteroidia）相对丰度较2021年增加2%~8%。秸秆还田增加了Alphaproteobacteria、Actinobacteria、Thermoleophilia和Chloroflexia的相对丰度（24%），降低了Vicinamibacteria和Gammaproteobacteria等约2%。耕作差异性地影响了功能不同的微生物分类群：旋耕有利于Gammaproteobacteria、Actinobacteria和Bacteroidia；深耕有利于Alphaproteobacteria、Thermoleophilia和Gemmatimonadetes；深松富集了Alphaproteobacteria和Vicinamibacteria。

**微生物群落α多样性**：2022年OTU数量较2021年显著增加。两年间秸秆还田与耕作均显著提高了物种丰富度和分布，但秸秆还田方式对细菌多样性无显著影响。2021年耕作主导细菌Shannon多样性（RT>DT>ST），表明较深耕作降低了群落丰富度和均匀度；2022年Shannon指数趋于稳定，反映群落多样性随时间趋于收敛。

**微生物群落β多样性**：基于Bray-Curtis距离的PCA显示，前两轴分别解释2021年和2022年微生物β多样性的20.49%和17.21%。各处理间无显著群落分离（ANOSIM，p>0.05）。耕作是微生物群落分异的主导驱动因素，秸秆还田则作为重要的稳定化因素。

**细菌群落与环境因子的相关性**：2021年细菌α多样性与IN呈显著正相关，β多样性与SOM、ANR、HNN和ASN正相关；2022年α多样性和PC1与土壤性质和氮组分显著相关。Messing检验表明，氮有效性是塑造盐碱地细菌群落组成的关键环境因子，有效氮库（如IN和氨基酸氮）的增加驱动细菌群落营养策略从富营养型向寡营养型转变。SEM结果表明，2021年细菌丰富度受EC、BD和SON的负影响，Shannon多样性受EC和BD的深刻影响；2022年细菌丰富度受秸秆、BD、SOM和SON的负影响，Shannon多样性受pH和SOM的正影响。细菌丰富度和多样性未直接影响TN积累，SON积累直接决定了土壤TN积累。模型网络结构随试验年限延长而日趋复杂。

讨论部分，研究人员深入分析了以下方面：**盐碱改良效应**——深耕秸秆还田显著影响EC和BD，这与前人发现一致。深松打破犁底层抑制盐分上移，增加土壤孔隙度；但DTSR较STSR显著降低TN、IN和SON，这与秸秆还田促进硝化微生物生长、加速NH₄⁺-N向NO₃^?-N转化的已有报道相反，可能源于秸秆还田对硝化作用的双重调控效应及深层秸秆还田对氮素的拦截作用。**细菌群落组成与多样性影响**——秸秆还田显著富集了参与SOM降解和氮转化的细菌类群（如Actinobacteria和Gammaproteobacteria），2022年形成了稳定的微生物群落结构。耕作是细菌群落组装的主导驱动因素，增加耕作深度降低了细菌物种丰富度和均匀度；而深松增加了细菌物种丰富度，因其最小化对犁底层的扰动、改善深层土壤水气通透性。Mantel检验证实细菌丰富度与土壤性质密切相关，pH、SOC和BD是微生物结构和活性的关键驱动因子。秸秆还田增加了固氮相关细菌Cyanobacteriota的丰度，这归因于秸秆诱导的SOM和SON增加为微生物生长繁殖提供了充足底物。**细菌对土壤氮积累的调控**——DTSR降低SON的同时，固氮相关细菌（Cyanobacteriota和Pseudomonadota）丰度显著增加，支持了微生物氮挖掘假说。RTSR维持了更高的细菌Shannon多样性指数和更稳定的群落结构，使氮以更稳定形式保留在土壤氮库中，降低了流失风险。SEM进一步证实，耕作和秸秆还田未直接影响TN积累，而是通过"环境因子—细菌群落—SON"的间接路径发挥作用。

研究结论：秸秆还田结合耕作有效改善了黄河三角洲沿海盐碱地的土壤理化条件，并通过改变细菌群落调控氮保持。深松和深耕秸秆还田（STSR、DTSR）显著降低土壤容重7%~8%；旋耕秸秆还田（RTSR）增加土壤有机质5%~16%并有效降低土壤盐度。耕作主导细菌α多样性，氮有效性是塑造α和β多样性的关键因素。SEM验证了SON积累直接驱动TN积累。STSR被确定为维持活性SON组分和增强土壤氮固持能力的最优措施。这些发现补充了盐碱地氮循环的生物地球化学理论，为区域土壤管理提供了科学依据。实际应用中，建议采用STSR改善土壤结构和稳定氮供应，采用旋耕秸秆还田缓解土壤盐度。未来研究将聚焦长期田间试验，探索真菌群落和氮循环功能基因以揭示潜在分子机制。